盾構法同步注漿材料的研究進展

唐晶晶，黃 靖，周永祥，王平瑞

（1.中國建筑科學研究院，北京 100013；2.天津城建大學，天津 300384；3.天津泰達城市軌道建設開發有限公司，天津 300457）

盾構法同步注漿材料的研究進展

唐晶晶1，2，黃 靖1，周永祥1，王平瑞3

（1.中國建筑科學研究院，北京 100013；2.天津城建大學，天津 300384；3.天津泰達城市軌道建設開發有限公司，天津 300457）

在盾構施工中，注漿技術是穩固地層、防護襯砌的重要手段，而注漿技術中所使用的注漿材料則起著至關重要的作用。文章對盾構技術、盾構注漿技術及注漿材料的發展歷程做了簡要概述，對注漿材料的種類及研究現狀做了系統歸納分析，最后對我國注漿材料的現存問題提出建議。

盾構；同步注漿；注漿材料

0 引言

在地鐵隧道工程中，不僅要提高施工技術以應對穿越大量高層建筑物、各種地下管線，軟弱富水地層、軟弱粘土層、砂層、風化巖層，腐蝕水環境等技術難題，還要時刻提防地鐵隧道地面下沉、隧道滲水問題的發生。而與盾構技術配合使用的注漿技術在解決地面下沉、隧道滲水方面有著十分突出的效果，在盾構襯砌背后填充的注漿結石體不僅可以穩固地層，還可以作為一道防護墻阻擋地下水、侵蝕介質進入隧道內。為了提高盾構隧道的施工質量以適應更復雜的地層環境，就必須對注漿材料做更為深入的研究。

盾構同步注漿材料經歷了原始的惰性注漿材料、水泥基活性注漿材料、化學注漿材料、現代改性注漿材料等幾個階段，不斷更新換代，可針對不同地質條件及經濟效益而選擇不同的注漿材料。本文就隨盾構技術的逐漸成熟而逐步發展的注漿材料及注漿材料的現狀和發展趨勢做了簡要分析，并對我國注漿材料研究的現存問題提出建議，供盾構工程施工選擇注漿材料作參考。

1 盾構注漿技術

盾構注漿技術主要分為一次注漿和二次注漿。一次注漿是盾構管片拼裝好后在管片與地層之間注入漿液穩定并加固管片和地層。二次注漿是當一次注漿的漿液收縮、未注滿缺陷等原因通過注漿孔進行的補漿。

一次注漿按照注漿方式主要分為 2 種：一種是通過向管片上預留的注漿孔注漿；另一種是隨著盾構機向前掘進的同時，經過盾構機盾尾外側的注漿管直接自動向間隙注漿，即同步注漿。

（1）注漿孔注漿。盾構機向前掘進 1 環或數環后，通過管片注漿孔注入漿液穩定管片和底層的方式。因開始注漿時間與盾尾脫離襯砌管片時間不同步，對于富水地層、軟土不穩定地層、多種類復雜地層，在此時間間隔容易造成管片上浮或管片位置偏移、地層沉陷，因此，此種注漿方式僅在較穩定堅固的地層適用，施工方便易行。

（2）同步注漿。盾構機掘進后向前推進出現環向間隙的同時進行注漿的方式（圖1、圖2）。同步注漿基本是在盾構機作為襯砌管片的“支撐”尚未脫出時進行注漿穩固襯砌和地層的注漿方式，能夠較好地實現注漿目的，及時調控盾構姿態，控制管片偏移、地層發生變形，不僅適用于穩固地層、軟土地層，也適用于砂土、黏性土、富水地層等自穩能力較差的復雜地質環境，已成為目前盾構施工的主要注漿方式。

圖1 盾尾同步注漿

圖2 盾尾同步注漿細部截面圖

2 盾構同步注漿材料的發展

2.1 原始盾構注漿材料階段

剛開始發展起來的盾構技術施工地層都比較穩定，對注漿材料的要求不高。19 世紀中后期，最開始的盾構注漿材料以惰性單漿液為主，即將粘土、火山灰、生石灰等沒有膠凝性的材料與水混合而成［1］。惰性漿液僅起到填充管片與管片、管片與地層間隙的作用，流動性較好，不宜堵塞管道，利于施工，但固結主要靠水分蒸發，防水性差、收縮大、凝結時間長，在不穩定地層不容易控制地層沉降。

2.2 水泥基同步注漿材料階段

水泥基注漿材料是在惰性漿液中加入了具有膠凝性的水泥，注入管片與地層間，大大提高了凝結時間，控制了體積收縮，且能夠在水中硬化，使盾構技術在軟弱不穩定地層和富水地層的施工成為可能，不僅提高了盾構注漿技術，也推動了盾構技術向更復雜地層邁進新的一步。

2.3 化學同步注漿材料階段

水泥具有膠凝性質能提高管片、地層穩定性，提高盾構施工質量，但顆粒狀的水泥基材料無法注入微細裂縫，研究人員將目光轉向化學漿液。由于水玻璃與水泥基材料混合的注漿漿液凝結時間較短，不容易被水稀釋，且在壓力注漿下不容易被劈裂，水玻璃-水泥基雙漿液同步注漿材料在富水環境得到廣泛應用。但便宜、速凝的水玻璃強度低甚至會出現強度倒縮，對耐久性影響較大，隨之出現新型高分子注漿材料來彌補水玻璃的不足，而部分高分子注漿材料引發的中毒事故又限制了其發展。

2.4 現代改性同步注漿材料階段

化學漿液的開發使用受到限制，人們又將目光重新轉移到水泥基注漿材料，通過改善原材料的物理、化學性質，添加外摻料來改性注漿材料，滿足施工及使用需求。

（1）水泥-粉煤灰基注漿材料。粉煤灰的微珠效應可減少用水量，在保證流動度的前提下提高注漿材料的強度。我國在 20 世紀 80 年代開始將粉煤灰應用于注漿材料，不提高成本前提下提高了注漿結石體質量。

（2）水玻璃-水泥-粉煤灰基注漿材料。王樹清等研制了水玻璃-水泥-粉煤灰基雙液注漿材料，采用水泥-粉煤灰基注漿液與水玻璃注漿液經過 2 個管道在注入前混合的注漿方式。粉煤灰與水玻璃均衡了注漿結石體對強度的要求，且解決了大水灰比漿液對流動性、長時間穩定性的要求。

（3）膨潤土-水泥基注漿材料。膨潤土會降低漿液流動度但能提高漿液穩定性，羅云峰等采用膨潤土提高漿液穩定性，采用減水劑保證漿液流動度并研制了膨潤土-水泥基注漿材料，改善了同步注漿的施工性能［2］。

（4）生石灰-粉煤灰基注漿材料。生石灰能增加漿液粘度，提高漿液早期固結性。北京地鐵 5 號線［3］、上海某隧道砂和性地層均采用生石灰、粉煤灰為主要膠凝材料的惰性漿液進行注漿，取得較好注漿效果并申請了惰性漿液專利。

（5）水下不分散注漿材料。低強度、高水灰比的注漿材料在具有水壓力的富水環境極易被沖散，中鐵五局在修建獅子洋隧道時在水泥基注漿材料中復配鋼渣及纖維，研制了水下不分散注漿材料，成功控制了管片上浮。

3 注漿材料的研究現狀

隨著盾構技術及注漿技術的發展，針對不同地質條件研制出的注漿材料種類也越來越多，目前的注漿材料按照注漿方式大體可分為單液漿注漿材料和雙液漿注漿材料。

3.1 單液惰性注漿材料

單液惰性注漿材料指的是在漿液中沒有水泥等具有膠凝性的材料，凝結時間長，早期強度低，收縮率高，但流動性好，施工性能好，適用于較穩定的干燥地層。目前的單液惰性漿液主要有以下 2 類。

（1）主要組成：生石灰、粉煤灰、砂、膨潤土、水。漿液中加入生石灰使漿液具有一定的固結作用，調節漿液的凝結時間。北京 5 號線試驗段采用此種類型注漿液，注漿效果良好。

（2）主要組成：熟石灰、粉煤灰、膨潤土、砂、水、外加劑、抗水分散劑。惰性漿液中加入抗水分散劑使漿液適用于富水地層，控制管片上浮。上海西藏路越江隧道采用此種漿液控制管片上浮和地表沉降達到較好效果。

3.2 單液活性注漿材料

活性漿液中加入了具有膠凝性的水泥而區別于惰性漿液。

（1）常規活性單漿液。成份包括水泥、粉煤灰、砂、膨潤土（鈉基）、水。廣州地鐵 2 號線、武漢地鐵 3 號線王宗—漢江段等常規地層盾構施工均采用此種常規活性單漿液注漿材料進行同步注漿。

（2）常規活性單漿液中加入外加劑。廣州地鐵3號線客村站—大塘站采用此種漿液，針對風化土質等的變化調整不同配比、注漿壓力來達到穩固地層、控制管片穩定的目的。廣州獅子洋隧道采用通過選擇不同減水劑、緩凝劑選出最優配比來控制管片上浮。

（3）常規活性單漿液中加入減水劑、石灰。在常用活性單漿液中加入石灰來調節凝結時間（從 24 h 降低到 4 h 以下），在廣州市軌道交通 4 號線某施工段控制漿液流失、管片上浮中取得良好應用效果。

（4）用石灰粉取代常規活性單漿液中的砂，并加入減水劑。在軟土地層盾構施工中，在常用活性單漿液中加入石灰、取消砂的漿液組成來控制地層穩定，滿足施工性能，取得良好注漿效果。

（5）盾構泥砂取代常規活性單漿液中的砂與膨潤土并加入減水劑。有效利用了盾構施工中的廢棄物，且節約原材料的使用，使盾構注漿實現了綠色施工。武漢地鐵 2 號、4 號線部分標段有相關應用，并取得良好注漿效果。

（6）常用活性單漿液中加入絮凝劑（纖維素醚、聚丙烯纖維等）。在水膠比較高的注漿液中摻入抗水分散劑，使漿液能在富水環境中控制地層穩定、管片上浮。在武漢過江隧道（長江大橋、二橋間）和臺山核電取水隧洞的應用中均取得良好效果。

3.3 雙液活性注漿材料

雙液活性漿液指單液活性漿液作為A液與由水玻璃組成的 B 液混合而成的注漿漿液。因水玻璃與活性漿液混合后漿液將在幾分鐘內迅速凝結，注漿施工時要將2 種漿液在注漿管注入前混合，達到迅速凝結，穩定管片及地層穩定，避免了漿液被水稀釋而降低注漿質量，但瞬凝型的注漿液容易造成堵管、注漿密實性不佳等現象。雙液活性漿液的瞬凝特點使其常被應用于隧道盾構施工的富水環境、軟土層的同步注漿及常規盾構施工的二次注漿。

3.4 同步注漿材料的基本特點

表1 給出了 3 種注漿材料的性能及適用環境比較。

4 結論及建議

表13 種漿液性能及適用環境比較

綜上所述，同步注漿材料歷經多年的發展，已從原來的單一惰性漿液發展到各種類型的注漿漿液，以滿足不同施工環境的需求，但不同種類的注漿材料仍存在不足，如惰性漿液凝結時間較長而不能較好控制地層沉降，化學漿液容易引起固結體強度倒縮且容易對環境造成污染，缺乏注漿材料質量管控措施等等。注漿材料的耐久性問題、環保問題及不同環境的適應性仍需要做更深入的研究，尋求綠色環保、防滲防腐、凝結時間易控、經濟效益好、施工方便等綜合性高的新型同步注漿材料是今后注漿材料的開發方向。

（1）隨著地鐵隧道工程的迅速發展，盾構施工挑戰越來越嚴苛的地質環境，而依然要保證 100 年以上的隧道壽命，注漿材料及注漿效果就顯得尤為重要。盾構技術的發展促進了注漿材料的發展，從注漿材料的發展歷程可見，注漿材料從原來的惰性粘土漿液注漿逐步發展到綠色惰性注漿材料、可調凝惰性注漿材料、水泥基活性注漿材料、盾構泥砂活性注漿材料、水玻璃-水泥基活性注漿材料、抗水分散性注漿材料等，研發的不同性能的注漿材料已能夠滿足不同的盾構環境。

（2）與抹灰砂漿、砌筑砂漿、混凝土等建筑材料相比，注漿材料對后期強度要求不高，而且材料來源廣泛、多樣，成本較低，施工技術的管控較低，但在盾構施工中又起著舉足輕重的作用。雖然多種多樣的注漿材料已被研發來跟進盾構施工，但地鐵隧道工程地層下沉超限、地鐵滲漏水問題仍然時常發生，目前還沒有標準規范來進行質量控制，應引起人們重視。

（3）惰性注漿材料的施工性好但結石體強度較低，活性注漿材料后期強度較高但施工性較差，容易堵管，影響施工進度，均衡二者性能方面有待研究。

（4）針對控制地層穩定、富水環境管片的穩定，注漿材料在不斷發展，但在沿海地區，更為嚴苛的侵蝕性環境對大水膠比、低強度的注漿材料來說，又是一個具有挑戰性的環境，因為注漿材料的耐久性很少作為控制指標，有待開發研究，注漿材料的耐久性研究也將作為盾構技術發展的推動力。

［1］ 羅云峰， 區希， 張厚美， 等.地鐵隧道盾構法同步注漿用水泥漿液的試驗研究［J］.混凝土，2004（8）.

［2］ 朱建春，李樂，杜文庫.北京地鐵盾構同步注漿及其材料研究［J］.建筑機械化，2004（11）.

［3］ 王麗麗，張格爾，王麗.盾構施工技術的發展及展望［J］.建材技術與應用，2011（1）.

［4］ 王紅霞，王星，何廷樹，等.灌漿材料的發展歷程及研究進展［J］.混凝土，2008（10）.

［5］ Karol R H.Chemical Grouting and Soil Stabilization［J］.Marcel Dekker， 2003（7）.

［6］ Shimoda M.Ultrafi ne Grouting Material［J］.Grouting in Geotechnical Engineering， 1991（8）.

［7］ John Bensted.Microfine Cement［J］.World Cement，1992（12）.

［8］ 朱建春，李樂，杜文庫.北京地鐵盾構同步注漿及其材料研究［J］.建筑機械化，2004（11）.

［9］ 陸磊，鐘世云，賀鴻珠.單液型非惰性同步注漿料的性能及在隧道工程中的應用［J］.上海建設科技，2008（2）.

［10］ 吳全立.同步注漿材料配合比設計與試驗研究［J］.施工技術，2003（1）.

［11］ 賀雄飛.單液惰性同步注漿漿液的配合比試驗研究［J］.隧道建設，2012（增2）.

［12］ 黃月文，劉偉區，羅廣建.灌漿材料應用研究進展［J］.防水材料，1999（8）.

［13］ 鄭大鋒，邱學青，樓宏銘.水溶性高聚物在盾構隧道注漿材料中的應用研究［J］.華南理工大學學報（自然科學版），2005（8）.

責任編輯 朱開明

Study Progress of Synchronous Grouting Material for Shield Tunneling Method

Tang Jingjing， Huang Jing， Zhou Yongxiang， et al.

In the shield construction， grouting technology is an important means to stabilize strata and protect lining.Furthermore， grouting material used by the grouting technology is playing a vital role.The paper gives a brief overview of the development course of the shield technology，grouting technology and grouting material.It systematically analyzes and summarizes the grouting materials categories and research status.In the fi nal part， the paper puts forward some existing problems of grouting materials in China.

shield， synchronous grouting， grouting material

U455.43

唐晶晶（1989—），女，碩士研究生

2015-10-10